Устройство для фиксирования и учета предельных колебаний транспортируемого объекта

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСИРОВАНИЯ И УЧЕТА ПРЕДЕЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ТРАНСПОРТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для фиксирования и учета предельных колебаний транспортируемого объекта, содержащее корпус с основанием, на котором установлен источник питания, выполненный в виде элементов питания типа , и крышкой, на которой размещены блок электроники и регистрирующий прибор, соединенный с источником звукового сигнала 17303 1 2013.06.30 инерционное тело, выполненное в виде маятника малых колебаний, содержащего размещенный в корпусе немагнитный стержень, соединенное в верхней части с упругим элементом, а в нижней - с первым постоянным магнитом, второй постоянный магнит,расположенный в непосредственной близости от первого и находящийся с ним в связи по магнитному полю, чувствительный к магнитному полю элемент, неподвижно размещенный в корпусе, отличающееся тем, что блок электроники содержит микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти и световой источник, подключенный параллельно к источнику звукового сигнала упругий элемент выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира с балансиром, стержень маятника изогнут с образованием в нижней части угла 45 к основанию корпуса, чувствительный к магнитному полю элемент выполнен в виде миниатюрного элемента Холла, размещенного в зазоре между магнитами, которые расположены разноименными полюсами навстречу друг другу так, что нормаль к элементу Холла лежит в плоскости колебаний маятника,причем второй магнит установлен в нижней части стержня. Заявляемое изобретение относится к измерительным приборам для фиксирования и учета предельных колебаний транспортируемого объекта и может быть использовано в медицине чрезвычайных происшествий, в частности в тренажерах-носилках для тренировки спасателей, с целью выработки навыков безопасной транспортировки больных в чрезвычайных ситуациях, а также при транспортировке больных и раненых по пересеченной местности в чрезвычайных ситуациях, в том числе для фиксации значений ускорения при аварии транспортируемого объекта, например при взрывном нагружении или повторных ударных воздействиях. Известно устройство 1 маятникового типа для измерения линейных ускорений движения объекта. Оно содержит корпус, горизонтальный упругий элемент, закрепленный одним концом в корпусе, постоянные или электрические магниты, закрепленные в корпусе прибора, инерционный элемент - постоянный магнит (или стальной сердечник), закрепленный на свободном конце упругого элемента, измерительно-преобразовательное устройство (индукционное, емкостное, пьезоэлектрическое и др.), обеспечивающее измерение возможных перемещений магнита. Стабилизация инерционного элемента в нулевом положении достигается за счет воздействия на него магнитного потока. Магнит, закрепленный на свободном конце упругого элемента, расположен между магнитами, закрепленными в корпусе устройства, причем подвижный и неподвижные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, обеспечивая как бы сжатие инерционного элемента. При действии ускорения подвижный магнит под действием силы инерции отклоняется от первоначального положения, преодолевая сопротивление магнитного потока одного из закрепленных в корпусе магнитов, при этом параметры перемещения фиксируются измерительнопреобразовательным устройством, а после прекращения действия на объект ускорения подвижный элемент возвращается в исходное положение под действием магнитного потока закрепленных магнитов. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения параметров при сложных колебательных процессах (точнее, невозможность измерения параметров ускорений и колебаний в вертикальной плоскости). Известен датчик 2 для измерения ускорения, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде маятника, соединенный с корпусом при помощи упругого подвеса, устройство для измерения перемещения чувствительного элемента, датчик уравновешивания, две пары упоров, при этом центр масс чувствительного элемента находится между первой и второй парой упоров. Использование 2 известного маятникового компенсационного акселерометра с упругим подвесом в навигационной системе предопределяет высокие требования к точности 2 17303 1 2013.06.30 измерения и надежности прибора, что усложняет его конструкцию. Кроме того, маятник этого устройства при работе перемещается только в одной плоскости между упорами, что не позволяет фиксировать амплитуду колебаний в разных осях координат. В случае сложных колебательных перемещений этот датчик непригоден для измерений, например, в тренажерах для тренировки спасателей или на носилках для транспортировки больных и раненых в чрезвычайных ситуациях, а также для транспортировки предметов, чувствительных к наклонным колебаниям. Наиболее близким к заявляемому является устройство маятникового типа, описанное в 3 (прототип). Оно содержит корпус с крышкой и основанием. В корпусе расположен стержень - инерционное тело, выполненное в виде маятника, соединенного с пружиной,закрепленной на крышке. В нижней части стержня расположен магнит. На внутренней поверхности корпуса установлена контактная группа, выполненная в виде равномерно расположенных по периметру корпуса герконов, которые закреплены в точках пересечения поверхности корпуса с траекторией качания маятника. На крышке установлен регистрирующий прибор, выполненный в виде счетчика импульсов и соединенный с герконами контактной группы и источником питания, который установлен на основании и выполнен в виде элементов питания типа АА. В центре основания на пружине закреплен магнит. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная дискретностью измерительных элементов (герконов), установленных равномерно по периметру корпуса, а также устройство практически непригодно для фиксации значений ускорения при аварии транспортируемого объекта, например при взрывном нагружении или повторных ударных воздействиях. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений параметров колебаний и расширение его функциональных возможностей. Устройство содержит корпус с основанием, на котором установлен источник питания, выполненный в виде элементов питания типа АА, и крышкой, на которой размещены блок электроники и регистрирующий прибор, соединенный с источником звукового сигнала инерционное тело, выполненное в виде маятника малых колебаний, содержащего размещенный в корпусе немагнитный стержень, соединенное в верхней части с упругим элементом, а в нижней с первым постоянным магнитом, второй постоянный магнит, расположенный в непосредственной близости от первого и находящийся с ним в связи по магнитному полю, чувствительный к магнитному полю элемент, неподвижно размещенный в корпусе. Оно отличается тем, что блок электроники содержит микропроцессор с аналогоцифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти и световой источник,подключенный параллельно к источнику звукового сигнала упругий элемент выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира с балансиром, стержень маятника изогнут с образованием в нижней части угла 45 к основанию корпуса, чувствительный к магнитному полю элемент выполнен в виде миниатюрного элемента Холла, размещенного в зазоре между магнитами, которые расположены разноименными полюсами навстречу друг другу так, что нормаль к элементу Холла лежит в плоскости колебаний маятника, причем второй магнит установлен в нижней части стержня. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений параметров колебаний и расширению его функциональных возможностей. Точность измерений, в первую очередь, повышается за счет использования в конструкции системы магнитов и магниточувствительного элемента Холла, обеспечивающих аналоговый выходной сигнал (а не дискретной группы герконов), по которому определяются основные параметры движения инерционного тела, т.е. амплитуда и ускорение колебаний при транспортировке. В прототипе фиксируются только наличие предельных значений амплитуды колебаний и их число. Следует отметить, что применение крестообразного пружинного шарнира в качестве упруго элемента и изогнутого стержня позволяет выпол 3 17303 1 2013.06.30 нять инерционному телу малые колебания, вызванные воздействием сил, действующих в вертикальном и горизонтальном направлениях. Предложенная конструкция устройства также позволяет значительно расширить его функциональные возможности. Наличие крестообразного пружинного шарнира позволяет фиксировать запредельные уровни движения объекта, например, для фиксации значений ускорения при аварии транспортируемого объекта типа лобовое столкновение, а также при взрывном нагружении или повторных ударных воздействиях. В таких случаях под действием больших сил инерции шарнир начинает поворачиваться около своей оси до упора с крышкой, что и остается зафиксированным в энергонезависимом блоке памяти, и т.д. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 изображено устройство, вид сбоку. На фиг. 2 приведена схема расположения магнитной системы с датчиком Холла в зазоре. На фиг. 3 изображено распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот двух постоянных магнитов, размещенных на нижнем конце стержня вдоль оси колебанийпри зазоре между магнитами 20 мм. Размеры магнитов 10 мм,30 мм. Магниты - из сплава с удельной энергией 30. Координататочка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е.0. Рабочая область колебаний маятника находится вблизи точки . Нормаль к пластине Холла лежит в плоскости малых колебаний маятника . Устройство содержит корпус 1 с основанием 2, на котором установлен источник питания 3, выполненный в виде элементов питания типаи крышкой 4, на которой размещены блок электроники 5 и регистрирующий прибор 6, соединенный с источником звукового сигнала 7, световой источник 8, подключенный параллельно источнику звукового сигнала. В блок электроники 5 встроен микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти (не показаны). Крышка 4 соединена с кронштейном 9 при помощи завес 10 и выполнена откидывающейся при настройке и ремонте устройства. В рабочем состоянии крышка 4 фиксируется к корпусу 1 винтом 11. В корпусе 1 размещен немагнитный стержень 12, который выполняет роль инерционного тела маятника малых колебаний, который изогнут так, что его нижняя часть расположена под углом 45 к основанию корпуса, как показано на фиг. 1. Стержень 12 соединен в верхней части с упругим элементом 13, который выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира с балансиром 14. Пружины крестообразного пружинного шарнира перекрещиваются, выполнены плоскими и крепятся винтами 15, как на фиг. 1, причем их жесткость выбирается экспериментально так, чтобы инерционное тело с магнитами могло совершать малые колебания относительно положения равновесия в вертикальной плоскости при воздействии вертикальных и (или) горизонтальных сил. На нижнем конце стержня 12 расположены два постоянных магнита 16 и 17 с зазором , ориентированные разноименными полюсами навстречу друг другу, как на фиг. 2. Чувствительный к магнитному полю элемент выполнен в виде миниатюрного элемента Холла 18, размещен в зазоре между магнитами 16 и 17. Нормаль к пластине Холла лежит в плоскости малых колебаний маятника (в 4 17303 1 2013.06.30 плоскости с осями ). Элемент Холла установлен неподвижно на стойке 19 корпуса. Рычаг 20 шарнира 13 опирается на кронштейн 21, который закреплен на стойке 19, выполненной с отверстием 22. Ограничители движения 24 и 23 механических элементов 20 и 12 шарнира 13 выполнены из резины для смягчения возможных ударов в случае чрезвычайных происшествий (например, при лобовом столкновении автомобиля и др.). Элементы крепления 25 исключают возможность опрокидывания корпуса 1. Устройство работает следующим образом. В статическом положении элемент Холла устанавливают в точку с координатой , которая характеризуется переходом индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е.0. При транспортировке на стержень 12 (инерционное тело маятника) могут действовать силы инерции в вертикальном и(или) горизонтальном направлении, в зависимости от условий транспортировки, вызванные неравномерностью движения, например при ускорении (замедлении), наклонах, вибрации, микроударах и др., которые вызывают малые колебания 12, область которых обычно находится вблизи точки , т.е. лежит в области линейности функции . По величине максимального выходного сигнала с элемента Холла 18, который пропорционален смещению магнита относительно координаты(элемента Холла), микропроцессор блока электроники 5 вычисляет амплитуду колебаний, а по текущим значениям этого сигнала от времени - величину ускорения в данный момент времени, как вторую производную по времени от смещения магнитов от точки равновесия. В экстремальных случаях,когда смещение магнитов превышает рабочую область колебаний, микропроцессор фиксирует превышение параметров колебаний, включаются источники светового 8 и звукового сигнала 7. При этом упруго сминаются резиновые ограничители движения 24 и 23 механических элементов 20 и 12 шарнира 13 и предохраняют устройство от поломки. Такого рода случаи остаются зафиксированными в энергонезависимом блоке памяти, а их число высвечивается регистрирующим прибором 6. При использовании устройства в чрезвычайных ситуациях, в частности в медицине катастроф, его устанавливают на носилках для транспортировки по пересеченной местности больных и раненых. В этом случае люди, несущие носилки, вынуждены преодолевать различные препятствия, при этом носилки совершают сложные колебания с разнонаправленными и значительными наклонами, что зачастую является опасным для транспортируемого человека. При достижении предельно допустимого отклонения устройство световым и звуковым сигналом оповещает об опасности, а следовательно, и о необходимости изменения способа транспортировки, в том числе изменения скорости, изменения маршрута, перераспределения силовых нагрузок. Для обеспечения щадящего режима транспортировки по пересеченной местности больных и раненых устройство устанавливают в машине скорой помощи. Устройство позволяет фиксировать запредельные уровни движения объекта, например,для фиксации значений ускорения при аварии транспортируемого объекта типа лобовое столкновение, а также при взрывном нагружении или повторных ударных воздействиях. В таких случаях под действием больших сил инерции шарнир начинает поворачиваться около своей оси до упора с крышкой, что и остается зафиксированным в энергонезависимом блоке памяти, и т.д. При использовании устройства для фиксирования и учета предельных амплитуд колебаний при транспортировке в конкурсах-соревнованиях между медицинскими бригадами экстренного реагирования устройство устанавливают на тренажер, выполненный в виде носилок, вес которых соответствует среднестатистическому весу человека. Для выявления победителя учитывают минимальное количество сигналов, зафиксированных микропроцессором. Технический результат заявляемого изобретения предусматривает обеспечение безопасной и удобной транспортировки больных и раненых в чрезвычайных ситуациях путем исключения опасных колебаний средства транспортировки, а также использование в каче 5 17303 1 2013.06.30 стве измерительного прибора в тренажерах для выработки у спасателей навыков безопасной транспортировки. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Свидетельство на полезную модель 24883, МПК 701 15/08, 2002. 2. Патент 2020484, МПК 01 15/08, 1994. 3. Патент 2316008, МПК 701 15/0801 9/14, 2008 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6